第7章无刷直流电动机控制系统.

第7章无刷直流电动机控制系统有刷直流电动机以它具有线性机械特性、宽调速范围、大起动转矩、较高效率、简单的控制电路等优点，在运动控制系统中得到广泛的应用。但它的电刷和换向器带来了可靠性较低、需经常维护等弱点。无刷直流电动机具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单、制造方便、不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速电机。无刷直流电动机可看成是一个定转子倒置的直流电动机。普通直流电动机的电枢绕组在转子上，永磁体则在定子上，参见图7.0.1。•无刷直流电动机关键特征1）本质上是多相交流电动机，但经控制获得类似直流电动机的特性；2）需要多相逆变器驱动；3）由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，可得到较高的可靠性；4）电枢绕组在定子上，散热好；5）较普通有刷直流电动机效率高、体积小；6）低的EMI；7）总系统成本比直流电动机高；8）可实施无传感器控制；•无刷直流电动机的特点及其应用：无刷直流电动机具有高效率、高转矩、高精度的特点，适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载；低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动；其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高，性价比更好，是现代化调速驱动的最佳选择。无刷直流电动机在先进国家已大量应用于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁悬浮列车等，永磁无刷直流发电机在中小型风力发电系统中广泛应用。7.1无刷直流电动机的组成结构和工作原理无刷直流电动机和一般的永磁有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处，用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁无刷直流电动机。1.无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机属于三相永磁同步电动机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性，在很大程度上决定了电动机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼以及SmCO5和Sm2CO17。常用永久磁铁的磁特性如图7.1.1所示。在转子上安置永久磁铁的方式有两种，如图7.1.2所示。一种是将成型永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。（1）根据永久磁铁安装在转子上的方法不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种，永久磁铁转子的不同结构如图7.1.3所示。扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的优点。但易受电枢反应的影响，且由于磁通不可能集中，气隙磁密度低，电极呈现凸极特性。矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电枢电感大，齿槽效应转矩大。但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电动机。由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩。此外，这种转子结构的永久磁铁不易飞出，故可适合于高速运转。（2）根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁势分布的不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机。正弦波型每相励磁磁势分布是正弦波状；方波型每相励磁磁势分布呈方波状。稀土永磁方波型电动机属于永磁无刷直流电动机的范畴，而稀土永磁正弦波型电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电动机来使用。但这不是绝对的，究竟是三相永磁无刷直流电动机(无刷直流电动机)还是三相交流永磁同步伺服电动机主要取决于电动机控制系统的控制方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。2.无刷直流电动机的转子位置传感器转子的位置检测器有多种，正弦波永磁同步电动机一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器作为位置检测元件，而在永磁无刷直流电动机（方波电动机）中，一般采用简易型的位置检测器，该器件不能用来检测转子的精确位置，主要作用是为了满足电动机换相的要求。位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器有电磁式、光电式、磁敏式等多种，它们各具特点。磁敏式霍尔位置传感器结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化。以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。霍尔效应任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场的作用力，即洛伦兹力，其大小可用下式表示:(7.1.1)qvBF上式表明，洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q，粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。在没有外加磁场时，电子沿外加电场E的相反方向运动，形成一股沿电场方向的电流。当加一与外电场垂直的磁场B时，运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移，并在该侧面形成电荷积累，由于该电荷的积累产生了新的电场，称为霍尔电场。该电场使电子在受到洛伦兹力的同时还受到与它相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏移，从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动，达到新的稳定状态，这时，在半导体两侧，就产生了一个电场，从而形成了一个电压，这就是霍尔电压。根据霍尔效应的原理，可制成霍尔元件。对于一定的半导体薄片，其霍尔电压U可用下式表示:(7.1.2)HRdBIRUHH当、和d都为固定值时，通过测量电压U就可测得磁感应强度B，这就是霍尔传感器的原理。HI霍尔传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。①线性型线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成，为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场、电流和电压测量等。②开关型开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输人磁感应强度，输出开关信号。直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感器。直流无刷电动机的霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电动机主转子一同旋转，以指示电动机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：①位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度应相等。②位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。位置传感器输出的开关状态通过一定的逻辑变换与电动机的换向状态对应，从而完成换向。对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置应当间隔120º电角度，其输出信号是Hu、Hv、Hw，波形如图7.1.4所示。3.直流无刷电动机的换向原理图7.1.4表明,无刷直流电动机转子位置传感器输出信号Hu、Hv、Hw在每3600电角度内给出6个按顺序排列的代码：101、100、110、010、011、001。该顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码顺序也将倒过来。无刷直流电动机的电子换向器主回路如图7.1.5所示，三相H形桥式逆变电路由6只功率开关元件组成。如图7.1.6所示是无刷直流电动机的定子绕组的结构示意图。其中虚线U1-U2、V1-V2、W1-W2分别表示与U相、V相、W相绕组轴线相正交的位置；显然由U1-U2、V1-V2、W1-W2交叉形成了6个60º的扇区，故将图7.1.6称作“定子空间的扇区图”。无刷电动机的换相过程可以通过两种方法来进行分析：1）利用“定子空间的扇区图”来分析换相过程；2）通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。“定子空间的扇区图”有6个扇区，转子位置检测器能先后给出6个代码的输出信号，6个扇区和6个代码是一一对应的。即当电动机的转子位于某个扇区内时，转子位置检测器发出的代码保持不变，一旦电动机转子转出了这个扇区，转子位置检测器就发出了新的代码，而这一新代码和电动机转子所处的新扇区是相对应。如图7.1.7(a)所示,设电动机正处于1号扇区,为使电动机转子获得连续转矩，定子磁场应与转子垂直，即定子磁场须与V1-V2线重合(V1端为N极，V2端为S极)。由于定子磁场由定子电流产生，故定子电流的流向为：U1相电流由U1端流入U2端流出。W相电流由W2端流入W1端流出。V相不通电。对应图7.1.5所示主回路中，1号、2号开关管导通，其余均关断。随着电动机转子的转动，当转子转出1号扇区，进入6号扇区时，转子位置检测器发出的代码发生了改变，在逻辑电路的控制下，使得1号、6号开关管导通，其余的开关管都关断。定子电流的流向为：U相电流由U1端流入U2端流出。V相电流由V2端流入由V1端流出。W相绕组不通电。这时定子磁场与W1-W2轴重合(W2端N极，W1端S极)。与刚才的情况相比，定子磁场向前跨越了60º电角度。仍与转子保持近于垂直的位置，如图7.1.7(b)所示。图7.1.7所示运用“定子空间扇区图”分析了三相无刷直流电动机在360º电角度内的换相过程，可见，定子的磁场是步进前进的，每步跨越60º电角度，而转子是连续地运行的。从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以理解其换相过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应使每相的反电势与该相的电流的相位相同。由于开关管的通电周期为120º电角度，所以每相电流的宽度120º，电流波型的中心位置应当与反电势的中心位置对应。无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都是相同的。表7.1.1是对无刷直流电动机换相状态的总结。前面分析的是电动机转子顺时针运转时的情况,电动机转子逆时针运转时的情况也是类似的。7.2无刷直流电动机的基本公式和数学模型无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。对于永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为方波，正弦波或梯形波。对于采用稀土永磁材料的电动机，其气隙磁场一般为方波，理想波形如图7.2.1所示。当定子绕组采用集中整距绕组时，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波。方波电动机通常采用方波电流驱动，由电子换向器向方波电动机提供三相对称的、宽度为120º电角度的方波电流。方波电流应位于梯形波反电势的平顶宽度范围内，如图7.2.2所示。下面分析方波电动机的电磁转矩、电枢电流和反电势等特性。1.电枢绕组的反电势电枢绕组的反电势为Blve60260nnnDvp其中转子线速度为如定子每相绕组串联匝数为N，则每相绕组的反电势为方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为其中，α是计算极弧系数。因而有nlBNnNeEpX6042lBnNnEpX15考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以，线电势E为两相电势之和，即(7.2.1)nKnNnEEepX15222.电磁转矩利用功率与速度的关系计算电磁转矩为式中则(7.2.2)EITe602nIKINnnnINnTMppe4602152从式（7.2.1）和式（7.2.2）可以看出，三相永磁方波电动机与永磁直流电动机有完全相同的反电势公式和转矩公式。下面仍以三相永磁方波电动机为例来分析无刷直流电动机的数学模型。由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法。通常直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型，该方法既简单又具有较好的准确度